傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的特性與指標(biāo)1.2第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的一般數(shù)學(xué)模型1.11.2改善傳感器性能的技術(shù)途徑1.3傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)

1.4第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)問題一：什么是傳感器？第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器作為感受被測(cè)量信息的器件，希望它能按照一定的規(guī)律輸出有用信號(hào)。因此需要研究描述傳感器的方法，來表示其輸出——輸入關(guān)系及特性，以便用理論指導(dǎo)其設(shè)計(jì)、制造、校準(zhǔn)與使用。最有效的描述方法是傳感器的數(shù)學(xué)模型。第一節(jié)傳感器的一般數(shù)學(xué)模型第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

傳感器的數(shù)學(xué)模型

指?jìng)鞲衅鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系傳感器的數(shù)學(xué)模型分為兩類（1）靜態(tài)模型在靜態(tài)條件下（即輸入量對(duì)時(shí)間t的各階導(dǎo)數(shù)為0）得到的傳感器輸入輸出的關(guān)系。（2）動(dòng)態(tài)模型輸入信號(hào)快速變化情況下，傳感器輸入輸出的關(guān)系。第一節(jié)傳感器的一般數(shù)學(xué)模型第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

傳感器的靜態(tài)模型y=a0+a1x+a2x2+…….+anxn線性模型：

y=a0+a1x

或y=ax第一節(jié)傳感器的一般數(shù)學(xué)模型第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

傳感器的動(dòng)態(tài)模型微分方程傳遞函數(shù)第一節(jié)傳感器的一般數(shù)學(xué)模型…………第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系。也即當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，這一關(guān)系就稱為靜態(tài)特性。

其中誤差因數(shù)就是衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)。第二節(jié)傳感器的特性與指標(biāo)靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得。為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系，可采用硬件和軟件的補(bǔ)償進(jìn)行線性化處理。在非線性誤差不太大的情況下，采用直線擬合的方法線性化。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)傳感器的特性與指標(biāo)選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn)：

獲得最小的非線性誤差。計(jì)算簡(jiǎn)便，使用方便。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)傳感器的特性與指標(biāo)

常用的擬合方法：(1)理論擬合(2)過零旋轉(zhuǎn)擬合(3)端點(diǎn)連線擬合(4)端點(diǎn)連線平移擬合(5)最小二乘擬合第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

最小二乘法擬合第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)擬合直線方程為：y=kx+b若實(shí)際測(cè)量點(diǎn)有n個(gè)，則第i點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為：最小二乘法擬合直線的原理使：最小。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)利用最小二乘原理：求解上述方程：第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)（1）線性度在規(guī)定條件下，傳感器測(cè)量曲線（校準(zhǔn)曲線）與擬合直線間最大偏差與滿量程（FullScale)輸出值的百分比稱為線性度。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)（2）靈敏度

傳感器的靈敏度是指到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)（3）分辨力

傳感器在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出的被測(cè)輸入量的最小變化值。有時(shí)，用該值相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)表示，則稱為分辨率。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)（4）遲滯（回差）在相同工作條件下在量程范圍內(nèi)，在同一次測(cè)量中對(duì)應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程其輸出值間的最大偏差。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)（5）重復(fù)性在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次所得特性曲線的不一致性。數(shù)值上用各測(cè)量值正、反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差的兩倍或三倍與滿量程的百分比。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)注意：遲滯和重復(fù)性的差異第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)（6）精度（靜態(tài)精確度）精度的指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度、精確度精密度：說明測(cè)量結(jié)果的分散性（隨機(jī)誤差）準(zhǔn)確度：說明測(cè)量結(jié)果偏離真值大小的程度（系統(tǒng)誤差）精確度：精密度和準(zhǔn)確度的綜合（極限誤差）第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)精度的表示工程中，為了表示測(cè)量結(jié)果的可靠程度，引入精確度等級(jí)概念，用A表示。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)閾值從輸出看能測(cè)出的輸入量最小變化值，實(shí)際上是零位附近的靈敏度穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性漂移傳感器不因輸入的原因而發(fā)生的變化零點(diǎn)漂移：時(shí)漂、溫漂靈敏度漂移（7）其他特性第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)，輸入與輸出間的關(guān)系（動(dòng)態(tài)量指周期信號(hào)、瞬變信號(hào)或隨機(jī)信號(hào)）。動(dòng)態(tài)特性取決于傳感器本身，另一方面也與被測(cè)參量的變化形式有關(guān)。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)測(cè)量輸入信號(hào)分類第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的動(dòng)態(tài)特性對(duì)數(shù)幅頻特性將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號(hào)輸入傳感器，其它輸出正弦信號(hào)的幅值、相位與輸入信號(hào)頻率之間的關(guān)系第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的動(dòng)態(tài)模型分類：零階環(huán)節(jié)（比例環(huán)節(jié)、無慣性環(huán)節(jié)）一階環(huán)節(jié)（慣性環(huán)節(jié)）二階環(huán)節(jié)第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

一階傳感器的階躍響應(yīng)第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

二階傳感器的階躍響應(yīng)第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的誤差來源內(nèi)部原因：傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲包括敏感元件，轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路元件等產(chǎn)生的噪聲以及電源產(chǎn)生的噪聲。例如光電真空管放射不規(guī)則電子，半導(dǎo)體載流子擴(kuò)散等產(chǎn)生的噪聲。降低元件的溫度可減小熱噪聲，對(duì)電源變壓器采用靜電屏蔽可減小交流脈動(dòng)噪聲等。第三節(jié)改善傳感器性能的技術(shù)途徑第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)外部原因

從外部混入傳感器的躁聲，按其產(chǎn)生原因可分為機(jī)械噪聲（如振動(dòng)，沖擊）、音響噪聲、熱噪聲（如因熱輻射使元件相對(duì)位移或性能變化）、電磁噪聲和化學(xué)噪聲等。對(duì)振動(dòng)等機(jī)械噪聲可采用防振臺(tái)或?qū)鞲衅鞴潭ㄔ谫|(zhì)量很大的基礎(chǔ)臺(tái)上加以抑制；消除音響噪聲的有效辦法是把傳感器用隔音器材圍上或放在真空容器里；消除電磁噪聲的有效辦法是屏蔽和接地或使傳感器遠(yuǎn)離電源線，或使輸出線屏蔽，輸出線絞擰在一起等。第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)改善傳感器的技術(shù)途徑

Ⅰ.結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇

Ⅱ.差動(dòng)技術(shù)

Ⅲ.平均技術(shù)

Ⅳ.穩(wěn)定性處理

Ⅴ.屏蔽、隔離與干擾抑制

Ⅶ.零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)

Ⅷ.補(bǔ)償與校正

Ⅸ.集成化、智能化與信息融合第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)任何一種傳感器在裝配完后都必須按設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面嚴(yán)格的性能鑒定。使用一段時(shí)間后（中國計(jì)量法規(guī)定一般為一年）或經(jīng)過修理，也必須對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，以便確保傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到要求。傳感器標(biāo)定就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確立器輸出量和輸入量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)的用途輸入可以是靜態(tài)的也可以是動(dòng)態(tài)的。因此傳感器的標(biāo)定有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定二種。第四節(jié)傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)

第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)靜態(tài)標(biāo)定建立傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)方程。檢測(cè)測(cè)試傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)，如靜態(tài)靈敏度、非線性、回差、重復(fù)性等。傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

建立傳感器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)方程。用于確定傳